本發明涉及一種硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接方法。
背景技術：
硬質合金是一種通過粉末冶金的方法制備得到的金屬陶瓷工具材料，具有硬度高、耐腐蝕、耐磨損等優異性能，被廣泛的應用于機械加工、礦山開采、地質勘探等領域。但是由于其韌性較差，脆性較高，難以用于生產尺寸較大，形狀復雜的制品，因此將硬質合金與韌性好、強度高、加工性能優異且廉價的鋼焊接起來使用，具有重要的生產實用價值。
硬質合金與鋼焊接的主要技術難點在于硬質合金與鋼的熱膨脹系數相差較大，一般為鋼的1/2～1/3，因此接頭在連接過程中會產生較大的熱應力，焊后也會在焊縫區形成很高的殘余應力，容易引起硬質合金開裂，導致連接失效。此外，如何防止硬質合金中的高熔點碳化物顆粒在焊縫處聚集以及脫碳脆性相(由于C向接頭處擴散而出現的富W,Fe,Co等的M6C或M12C復合型碳化物，常以η相表示)的生成，也是是獲得高質量連接接頭需要解決的問題。
目前，硬質合金與鋼的連接方法主要有釬焊、擴散焊和電子束焊等。釬焊和擴散焊是硬質合金與鋼連接的常見辦法。在緩解硬質合金和鋼接頭殘余應力、提高接頭強度的諸多方法中，添加中間過渡層是最為有效的方法之一。采用單層中間層(多采用彈性模量較低的軟質金屬)時，由于軟金屬的熔點都較低，會使接頭的工作溫度受到很大的限制。此外，針對硬質合金(線膨脹系數為6×10-6mm/℃)與不銹鋼(線膨脹系數為16×10-6mm/℃)的焊接，由于線膨脹系數差異過大，使用單一的中間層并不能充分發揮作用。因此需要更合適的中間層和連接方法來提高硬質合金與鋼的連接接頭性能。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有焊接過程中殘余應力過大，影響接頭性能的問題，提供一種硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接方法。
本發明一種硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接方法，按照以下步驟進行的：
一、將硬質合金的待焊接面、鋼的待焊接面和金屬中間層箔片分別進行打磨，然后分別放入丙酮溶液中超聲清洗15min～20min，冷風吹干，得到預處理后的硬質合金、預處理后的鋼和預處理后的金屬中間層箔片；
二、按照從上到下的依次為預處理后的硬質合金、預處理后的金屬中間層箔片和預處理后的鋼的順序裝配，并在裝配后的硬質合金表面上施加5MPa～10MPa的壓力，得到裝配后的待焊工件；
三、將裝配后的待焊工件置于真空擴散焊爐中，抽真空，然后以5℃/min～15℃/min的升溫速度將真空擴散焊爐的溫度升至1000℃～1100℃，并在溫度為1000℃～1100℃的條件下保溫60min～90min，最后冷卻至室溫，即完成硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接。
本發明的方法在目前工藝相對穩定的真空釬焊和真空擴散焊的基礎上進行優化改進，充分結合了二者的優點，采用瞬時液相擴散焊焊接硬質合金與鋼并引入鈦片、銅片、鎳片作為復合中間層，Ni基金屬硬度較低，具有較好的緩沖應力作用，對于硬質合金這種難潤濕材料，Ti是很好的活性元素，Cu可以與Ti形成共晶而且共晶溫度較低，Cu的塑韌性較好而且相對廉價易得。復合中間層能促進接頭中近共晶固溶體組織的生成并能夠有效防止硬質合金中高熔點碳化物的碳向界面擴散，從而避免了界面脆性相以及硬質合金中脫碳脆性相的生成，改善了接頭的連接性能，實現在較低溫度下完成高熔點中間層的融化，實現與難潤濕被焊母材的反應、潤濕而結合。本發明采用鈦、銅、鎳作為復合中間層形成線膨脹系數成梯度變化的中間層體系，可以有效的解決因線膨脹系數的差異而造成的殘余應力過大的問題。這些都有利于釋放接頭的殘余應力并提高接頭的強度，進一步消除焊接缺陷，保證焊接質量。
本發明與現有技術相比具有以下優點：
1、本發明在目前相對穩定的真空釬焊和真空擴散焊的基礎上進行優化改進，采用瞬時液相擴散焊方法探究硬質合金和鋼的焊接工藝參數，進而獲得性能優異的焊接接頭，可在現有設備基礎上迅速推廣。
2、本發明在瞬時液相擴散焊過程中引入鈦片、銅片、鎳片作為復合中間層，近共晶固溶體組織的生成抑制接頭處脆性化合物的生成，同時借助復合中間層材料減小因線膨脹系數的差異而造成的殘余應力過大問題，提高接頭質量。
3、本發明工藝設計合理，工序簡單，便于進行批量化生產，可以顯著提高經濟效益。
附圖說明
圖1為硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接的示意圖；1為預處理后的硬質合金，2為預處理后的鈦片，3為預處理后的銅片，4為預處理后的鎳片，5為預處理后的鋼。
具體實施方式
本發明技術方案不局限于以下所列舉的具體實施方式，還包括各具體實施方式之間的任意組合。
具體實施方式一：本實施方式一種硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接方法，按照以下步驟進行的：
一、將硬質合金的待焊接面、鋼的待焊接面和金屬中間層箔片分別進行打磨，然后分別放入丙酮溶液中超聲清洗15min～20min，冷風吹干，得到預處理后的硬質合金、預處理后的鋼和預處理后的金屬中間層箔片；
二、按照從上到下的依次為預處理后的硬質合金、預處理后的金屬中間層箔片和預處理后的鋼的順序裝配，并在裝配后的硬質合金表面上施加5MPa～10MPa的壓力，得到裝配后的待焊工件；
三、將裝配后的待焊工件置于真空擴散焊爐中，抽真空，然后以5℃/min～15℃/min的升溫速度將真空擴散焊爐的溫度升至1000℃～1100℃，并在溫度為1000℃～1100℃的條件下保溫60min～90min，最后冷卻至室溫，即完成硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接。
本實施方式的方法在目前工藝相對穩定的真空釬焊和真空擴散焊的基礎上進行優化改進，充分結合了二者的優點，采用瞬時液相擴散焊焊接硬質合金與鋼并引入鈦片、銅片、鎳片作為復合中間層，Ni基金屬硬度較低，具有較好的緩沖應力作用，對于硬質合金這種難潤濕材料，Ti是很好的活性元素，Cu可以與Ti形成共晶而且共晶溫度較低，Cu的塑韌性較好而且相對廉價易得。復合中間層能促進接頭中近共晶固溶體組織的生成并能夠有效防止硬質合金中高熔點碳化物的碳向界面擴散，從而避免了界面脆性相以及硬質合金中脫碳脆性相的生成，改善了接頭的連接性能，實現在較低溫度下完成高熔點中間層的融化，實現與難潤濕被焊母材的反應、潤濕而結合。本實施方式采用鈦、銅、鎳作為復合中間層形成線膨脹系數成梯度變化的中間層體系，可以有效的解決因線膨脹系數的差異而造成的殘余應力過大的問題。這些都有利于釋放接頭的殘余應力并提高接頭的強度，進一步消除焊接缺陷，保證焊接質量。
本實施方式與現有技術相比具有以下優點：
1、本實施方式在目前相對穩定的真空釬焊和真空擴散焊的基礎上進行優化改進，采用瞬時液相擴散焊方法探究硬質合金和鋼的焊接工藝參數，進而獲得性能優異的焊接接頭，可在現有設備基礎上迅速推廣。
2、本實施方式在瞬時液相擴散焊過程中引入鈦片、銅片、鎳片作為復合中間層，近共晶固溶體組織的生成抑制接頭處脆性化合物的生成，同時借助復合中間層材料減小因線膨脹系數的差異而造成的殘余應力過大問題，提高接頭質量。
3、本實施方式工藝設計合理，工序簡單，便于進行批量化生產，可以顯著提高經濟效益。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟一中所述的硬質合金為YG8硬質合金、YG3硬質合金或YG6X硬質合金。其他與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：步驟一中所述的鋼為40Cr、45號鋼或16Mn。其他與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：步驟一中所述的金屬中間層箔片為厚度為50μm～200μm的鈦片，50μm～500μm的銅片和50μm～200μm的鎳片。其它與具體實施方式一至三之一相同。
本實施方式中所述的金屬中間層箔片在擴散焊接過程中鈦片在最上方，銅片在中間，鎳片在下方，其中鈦片靠近硬質合金，鎳片靠近鋼。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：步驟一中所述的硬質合金的打磨處理的具體過程為：先用砂輪進行粗磨，再依次采用220#、400#、800#、1000#和1500#的砂紙進行逐級打磨。其它與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：步驟一中所述的鋼的打磨處理的具體過程為：先用砂輪進行粗磨，再依次采用240#、400#、800#、1200#和1500#的砂紙進行逐級打磨。其它與具體實施方式一至五之一相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：步驟一中所述的金屬中間層箔片依次采用320#和400#砂紙進行逐級打磨。其它與具體實施方式一至六之一相同。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是：步驟一所述的超聲清洗的頻率為0.5～40kHz。其它與具體實施方式一至七之一相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一不同的是：步驟二中在裝配后的硬質合金表面上施加8MPa的壓力。其它與具體實施方式一至八之一相同。
具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式一至九之一不同的是：步驟三所述的保溫時間為80min。其它與具體實施方式一至九之一相同。
通過以下實施例驗證本實施方式的有益效果：
實施例1、本實施例一種硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接方法，按照以下步驟進行的：
一、將硬質合金的待焊接面、鋼的待焊接面和金屬中間層箔片分別進行打磨，然后分別放入丙酮溶液中超聲清洗20min，冷風吹干，得到預處理后的硬質合金、預處理后的鋼和預處理后的金屬中間層箔片；
二、按照從上到下的依次為預處理后的硬質合金、預處理后的金屬中間層箔片和預處理后的鋼的順序裝配，并在裝配后的硬質合金表面上施加8MPa的壓力，得到裝配后的待焊工件；
三、將裝配后的待焊工件置于真空擴散焊爐中，抽真空，然后以10℃/min的升溫速度將真空擴散焊爐的溫度升至1030℃，并在溫度為1030℃的條件下保溫80min，最后冷卻至室溫，即完成硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接。
本實施例步驟一中所述的硬質合金為YG8，鋼為16Mn，金屬中間層箔片為厚度為50μm的鈦片，100μm的銅片和50μm的鎳片；步驟一中所述的硬質合金的打磨處理的具體過程為：先用砂輪進行粗磨，再依次采用220#、400#、800#、1000#和1500#的砂紙進行逐級打磨；步驟一中所述的鋼的打磨處理的具體過程為：先用砂輪進行粗磨，再依次采用240#、400#、800#、1200#和1500#的砂紙進行逐級打磨；步驟一中所述的金屬中間層箔片依次采用320#和400#砂紙進行逐級打磨。
本實施例裝配后的待焊件如圖1所示，焊接后經測試，本實施例在添加50μm的鈦片，100μm的銅片，50μm的鎳片作為復合中間層后，瞬時液相擴散焊焊接接頭的剪切強度為262MPa，通過復合中間層瞬時液相擴散焊的方法緩解了硬質合金與鋼接頭的殘余應力，提高了接頭綜合性能。
實施例2、本實施例一種硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接方法，按照以下步驟進行的：
一、將硬質合金的待焊接面、鋼的待焊接面和金屬中間層箔片分別進行打磨，然后分別放入丙酮溶液中超聲清洗20min，冷風吹干，得到預處理后的硬質合金、預處理后的鋼和預處理后的金屬中間層箔片；
二、按照從上到下的依次為預處理后的硬質合金、預處理后的金屬中間層箔片和預處理后的鋼的順序裝配，并在裝配后的硬質合金表面上施加8MPa的壓力，得到裝配后的待焊工件；
三、將裝配后的待焊工件置于真空擴散焊爐中，抽真空，然后以10℃/min的升溫速度將真空擴散焊爐的溫度升至1090℃，并在溫度為1090℃的條件下保溫80min，最后冷卻至室溫，即完成硬質合金與鋼的復合中間層液相擴散焊接。
步驟一中所述的硬質合金為YG6X，鋼為45號鋼，金屬中間層箔片為厚度為50μm的鈦片，100μm的銅片和50μm的鎳片；步驟一中所述的硬質合金的打磨處理的具體過程為：先用砂輪進行粗磨，再依次采用220#、400#、800#、1000#和1500#的砂紙進行逐級打磨；步驟一中所述的鋼的打磨處理的具體過程為：先用砂輪進行粗磨，再依次采用240#、400#、800#、1200#和1500#的砂紙進行逐級打磨；步驟一中所述的金屬中間層箔片依次采用320#和400#砂紙進行逐級打磨。
經測試，本實施例在添加50μm的鈦片，100μm的銅片，50μm的鎳片作為復合中間層后，瞬時液相擴散焊焊接接頭的剪切強度為320MPa，通過復合中間層瞬時液相擴散焊的方法緩解了硬質合金與鋼接頭的殘余應力，提高了接頭綜合性能。